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產業技術評析

燈塔工廠中的資通訊技術與智慧科技應用
發表日期:2021-05-19
作者:熊治民(工研院)
摘要:
德國產學研界在2011年提出工業4.0概念與發展訴求後,已在全球諸多國家引發重大迴響;許多國家紛紛提出類似的產業升級與競爭力提升政策,並積極協助國內企業發展應用方案。

全文:

一、工業4.0發展典範-燈塔工廠

 

(一) 全球燈塔工廠評選

 

德國產學研界在2011年提出工業4.0概念與發展訴求後,已在全球諸多國家引發重大迴響;許多國家紛紛提出類似的產業升級與競爭力提升政策,並積極協助國內企業發展應用方案。然而在實際發展上,全球大多數企業仍面臨諸多挑戰,導致發展進程不如預期;許多公司在投入可觀資金後,卻發現無法在實質的營運績效上獲得相對應的回報。然而也有一些企業,在經過持續的探索與試驗後,逐步找出可行的發展模式;並在提高總體生產效能、控制成本、加速產品研發、創新商業模式等層面,獲得顯著成果。

 

為了找出全球製造企業推動工業4.0成功典範,並探索這些廠商的成功關鍵因素,讓其他企業能瞭解、學習,世界經濟論壇(WEF)與麥肯錫(McKinsey)公司合作,在2018、2019、2020、2021年,從全球許多類製造產業一千餘家廠商中,分別評選出16、28、10、15家燈塔工廠(Lighthouse factory),並歸納出這些工業4.0發展標竿企業的策略、發展路徑、重點應用及營運改善績效。

 

這些燈塔工廠包含兩種類型:獨立的生產工廠,以及端到端(End to end)價值鏈。

 

(二) 燈塔工廠中新興資通訊與智慧科技應用

 

在評選出燈塔工廠後,WEF及麥肯錫也持續發布相關報告,進一步分析這些工廠在各種價值活動中,如何結合5G通訊、物聯網(IoT)、雲端與邊緣運算等資通訊技術,人工智慧(AI)、巨量資料(Big data)、預測、數位分身(Digital twin)、擴增實境(AR)與混合實境(MR)等新興智慧科技,以及感測、機器人、無人載具(Unmanned vehicles)、積層製造(Additive manufacturing)等先進技術,發展出有助於生產工廠與供應鏈營運績效提升的數位化、智慧化應用方案。

 

以下是這些技術在燈塔工廠部分價值活動中的應用說明。

 

1.數位化組裝與機台設備

 

各燈塔工廠使用新興資通訊與智慧科技,發展數位化組裝與機台設備的應用包括:以積層製造製作製程工具;以先進工業物聯網(IIoT)進行製程最佳化;以AI實現機台設備運作最佳化;基於AI的物料搬運系統;基於AI的程序控制;協作式機器人(Collaborative robotics)及自動化;產線上可程式控制器(PLCs),透過Big data分析來進行運作周期( Cycle time)最佳化;數位工程(Digital engineering);數位化精實(Lean)工具;應用於彈性生產的數位分身;以數位化技術實現彈性製造、模組化生產架構、可變式生產節拍;光學導引組裝程序;以混合實境技術進行數位化教育訓練;關鍵製造元件之即時(Real-time)定位系統(RTLS)。

 

2.數位化維護

 

各燈塔工廠使用新興資通訊與智慧科技,發展數位化維護的應用包括:偏差根本原因確認分析平台;透過感測資料分析實現複雜設備運作成本最佳化;以數位技術進行管線洩漏預防及偵測;透過設備警示訊息彙整、優先等級區分及分析,解決設備運作問題;彙整歷史資料與即時感測資料,實現設備預測維護;基於邊緣感測器之即時管線運作成本最佳化;使用擴增實境技術進行遠距協助;使用無人載具進行檢查。

 

3.數位化效能管理

 

各燈塔工廠使用新興資通訊與智慧科技,發展數位化效能管理的應用包括:遠距生產最佳化分析平台;良率管理與根本原因分析平台;數位式整體設備效能(OEE)監控看板;客製化車間數位資訊平台;能增進連結式勞動能力之數位工具;應用於遠距生產最佳化之數位分身;以數位化方式進行人員-機台匹配;能提升運作管理之企業製造智慧系統;使用企業軟體連結設備等級資料之整合式平台;即時資產效能監控與可視化;基於感測資料之製造關鍵效能指標報告。

 

4.數位化品質管理

 

各燈塔工廠使用新興資通訊與智慧科技,發展數位化品質管理的應用包括:以AI實現安全管理;AI光學檢測;以線上自動光學檢測取代人工成品檢測;數位化品質審核;數位化工作指示及品質功能;數位化產品批次放行;整合工作流程的數位化產線運作標準程序;透過現場品質失效訊息彙整、優先等級區分及分析,解決品質問題;基於物聯網之製造品質管理;使用混合實境眼鏡指引作業員進行產線末端檢測;透過預測分析改善品質;使用數位掃描技術取代昂貴的三次元量床,並改善量測品質。

 

二、燈塔工廠案例解析-工業富聯

 

(一) 工業富聯無憂CNC機加產線

 

富士康工業互聯網股份有限公司(Foxconn Industrial Internet,工業富聯),是鴻海集團旗下子公司;主要營運內容為生產通信網路設備、雲端服務設備、精密工具及工業機器人。工業富聯位於中國的彈性裝配作業智慧工廠,在2019年被評選為燈塔工廠。鴻海近幾年積極發展符合工業4.0概念的關燈工廠;在工業富聯獲選燈塔工廠後,鴻海計畫在2021年複製出20座燈塔工廠。

 

工業富聯在2020年發表「工業富聯燈塔工廠白皮書」,詳細說明該公司發展燈塔工廠的理念與做法。白皮書中提出的一個發展案例是「工業富聯無憂CNC機加產線」。一般機械加工產線存在諸多特點,也導致許多痛點。包括生產變化快、CNC控制程式參數調整困難度高、製程複雜、生產排程困難、刀具壽命不容易管控、刀具準備不夠及時、耗材量大、異常控制偵測與回饋緩慢、檢測效率低、品質不容易追溯、機台設備維護困難…等。

 

為解決上述問題,工業富聯通過機台連接來獲取即時運行狀態、觸發事件、運行參數、生產指標、異常報警事件,以及其他重要生產指標等關鍵資訊,作為實現加工車間數位化及進行智慧化管理之基礎。其中核心應用包含:智慧刀具庫、全面產能分析、全面品質管制、全面資料採集、無縫對接設備、遠端程式參數調整等。

 

工業富聯的無憂CNC機加產線應用效益包括:實現工單及品質KPI全方位監控;透過智慧備刀、故障即時處理,使設備利用率提高;透過品質問題即時發現、生產過程資訊可視化,使良品率提高;刀具使用壽命提升超過5%。

 

(二) 數位化關鍵技術應用

 

網宇實體系統(CPS)是實現工業4.0的重要核心技術。曾提出CPS應用5C架構的李傑(Jay Lee)教授,獲聘為富士康集團副董事長,並協助工業富聯以5C架構實現智慧製造。5C架構從感知層、分析層、網路層、決策層到配置層,逐層完成智慧製造的價值實現。並將物聯網、雲端與邊緣運算、巨量資料及資料治理進行結合。表1是工業富聯燈塔工廠白皮書中,提出的製造業數位化關鍵技術,以及三種應用途徑。

 

表1 製造業數位化關鍵技術與應用途徑

應用途徑

製造業數位化關鍵技術

從實體到數位

物聯網IoT

感測器與控制器

可穿戴裝置

擴增實境AR

將可以收集、傳輸和感知資料/資訊的技術支援設備連接到一起

大範圍測量和控制生產過程與操作,以優化流程

植入先進電子技術(電腦、感測器)的可穿戴輔助設備以增強操作

通過電腦感知輸入,實現對物理、現實世界元素的感知增強

從數位到數位

數據傳輸

認知計算

可視化

預測分析

從內外部來源(設備終端、感測器)中識別和整合資料

通過計算解決設備在調整、回饋、重複等方面遇到的新問題

在特定時點對目標動作的視覺化或資料展示的新方式

通過巨量資料分析實現預見性維護,減少計畫外生產中斷

資料來源:工業富聯燈塔工廠白皮書(2020/06)

 

三、燈塔工廠發展成功因素

WEF及麥肯錫在燈塔工廠報告中,提出燈塔工廠數位應用規模化關鍵因素,包括:

  • 以敏捷工作方式持續迭代發展與推動數位化應用方案

快速組合多個應用例,以反覆迭代方式展開創新和轉型、快速反覆試驗、快速失敗和持續學習。

  • 在技術生態系統中提高協作程度

在數位化基礎上,與供應商及各領域合作夥伴,進行包括資料共享在內的新型協作發展模式。

  • 以學習組織提升員工技能

利用內外部專業知識,為企業數位化、智慧化轉型團隊提供再訓練和資源;幫助員工提升能力、獲取指導及相關技能,以適應不斷變化的工作的需求。

  • 建立可擴展的工業物聯網/資料基礎架構

重新設計現有的IT系統,並更新到最新一代技術功能;同時要確保所選的工業物聯網架構,具有足夠的適應性並能經得起未來的考驗。

  • 透過敏捷數位工作小組激發員工創意

為企業數位化、智慧化應用方案開發團隊塑造有利發展空間,讓團隊能基於敏捷工作方式進行管理和運作;使各類數位化工作推動成員能透過共同合作,快速形成、試驗數位應用方案。

  • 以組織運作轉型支持企業數位化變革

企業需要建立治理模型,支持人員交流和劃分應用方案發展優先順序;發展策略是聚焦在具實務性的解決方案與實際應用成效,而不只是專注在技術上。

 

四、結論

無論是工業4.0、智慧製造、數位轉型,都涉及複雜、多維度的系統性工作。因要在生產工廠與端對端價值鏈中推動數位化、智慧化應用發展,企業目標、商業模式、資訊(IT)與作業(OT)技術整合,都是企業需要考慮的面向。面對工業4.0、智慧製造、數位轉型,除了企業的決心之外,根據企業的經營型態、產品定位,建立敏捷數位轉型工作執行團隊,選擇企業須優先變革項目,反覆試驗並建立可擴充規模的數位應用方案,是製造業推動轉型升級的第一步。有了明確的轉型目標與方案後,相關組織的變革同樣重要,明確的企業發展目標及管理階層支持,各階層員工的創意合作與數位技能培育,在促進企業數位轉型上,與技術方案開發導入具有相同的重要性。

 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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